JP5956731B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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Description
この発明は、浮遊ゲートに電子を注入して記憶を行う不揮発性半導体記憶素子に係わり、特に消去時の消費電力低減に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory element that performs storage by injecting electrons into a floating gate, and more particularly to reduction of power consumption during erasure.
データを電気的に書き換え可能であり、電源を切ってもデータを記憶しておくことのできる不揮発性メモリの市場が拡大している。不揮発性メモリは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor)と類似の構造を有し、電荷を長期間蓄積することのできる領域がチャネル形成領域上に設けられているところに特徴がある。この電荷蓄積領域は絶縁層上に形成され、周囲と絶縁分離されていることから浮遊ゲートとも呼ばれている。浮遊ゲートは絶縁物で囲まれて周囲とは電気的に絶縁されているので、浮遊ゲートに電荷が注入されるとその電荷を保持し続けるという特性を持っている。浮遊ゲート上には、さらに絶縁層を介して制御ゲートと呼ばれるゲート電極を備えている。制御ゲートは、データの書き込みや読み出しの時に所定の電圧が印加されることから浮遊ゲートとは区別されている。 The market for nonvolatile memories that can electrically rewrite data and store data even when the power is turned off is expanding. The nonvolatile memory has a structure similar to that of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and is characterized in that a region capable of accumulating charges for a long period is provided on the channel formation region. This charge storage region is formed on an insulating layer and is also called a floating gate because it is isolated from the surroundings. Since the floating gate is surrounded by an insulator and is electrically insulated from the surroundings, the floating gate has a characteristic of continuing to hold the charge when the charge is injected into the floating gate. On the floating gate, a gate electrode called a control gate is further provided via an insulating layer. The control gate is distinguished from the floating gate because a predetermined voltage is applied when data is written or read.
このような構造を有する所謂浮遊ゲート型の不揮発性メモリは、浮遊ゲートへの電荷の注入と、浮遊ゲートからの電荷の放出を電気的に制御してデータを記憶する仕組みとなっている。具体的に、浮遊ゲートへの電荷注入(以下、書き込みと呼ぶ)および浮遊ゲートからの電荷放出(以下、消去と呼ぶ)は、チャネル形成領域が形成される半導体層と、制御ゲートの間に高電圧を印加して行われている。このときチャネル形成領域上の絶縁層には、ファウラー−ノルドハイム(Fowler−Nordheim)(F−N)トンネル電流が流れると言われている。このことより当該絶縁層はトンネル絶縁層とも呼ばれている。 A so-called floating gate type nonvolatile memory having such a structure has a mechanism for storing data by electrically controlling charge injection into the floating gate and discharge of the charge from the floating gate. Specifically, charge injection into the floating gate (hereinafter referred to as writing) and charge emission from the floating gate (hereinafter referred to as erasing) are high between the semiconductor layer in which the channel formation region is formed and the control gate. This is done by applying a voltage. At this time, it is said that a Fowler-Nordheim (FN) tunnel current flows through the insulating layer on the channel formation region. Thus, the insulating layer is also called a tunnel insulating layer.
この仕組みでデータを記憶させる場合、消去に必要な電圧は、半導体層と浮遊ゲートの仕事関数の差から決定される。また、仕事関数は材料によって異なる。つまり、半導体層および浮遊ゲートの材料によって仕事関数は決定される。 When data is stored using this mechanism, the voltage required for erasing is determined from the difference in work function between the semiconductor layer and the floating gate. The work function varies depending on the material. That is, the work function is determined by the material of the semiconductor layer and the floating gate.
一般的に浮遊ゲート材料としては多結晶シリコン材料が用いられている。一方で、不純物拡散対策などの観点から金属材料を用いる方法も取られている(例えば、特許文献1)。浮遊ゲートを金属材料で設けることによって、低温プロセス(600℃以下)で作製しやすい等の効果がある。例えば、消費電力の低減又は回路面積を縮小し、低温プロセスで生産性を向上させるために、浮遊ゲートを半導体膜(シリコン)と異なる材料、例えば、タングステン、窒化タンタル、窒化チタン等のメタルで設ける技術が開示されている(特許文献2)。また、諸特性(書き込み特性、読み出し特性、消去特性)の優れたEEPROMまたはEPROMのメモリセルを備えた半導体装置を提供するために、浮遊ゲートをチタンまたは窒化チタンを用いる技術が開示されている(特許文献3)。 In general, a polycrystalline silicon material is used as a floating gate material. On the other hand, a method using a metal material is also taken from the viewpoint of impurity diffusion countermeasures (for example, Patent Document 1). By providing the floating gate with a metal material, there is an effect that it is easy to manufacture by a low temperature process (600 ° C. or less). For example, in order to reduce power consumption or circuit area and improve productivity in a low-temperature process, the floating gate is provided with a material different from that of a semiconductor film (silicon), for example, a metal such as tungsten, tantalum nitride, or titanium nitride. A technique is disclosed (Patent Document 2). In addition, a technique using titanium or titanium nitride as a floating gate is disclosed in order to provide a semiconductor device having an EEPROM or an EPROM memory cell having excellent characteristics (write characteristics, read characteristics, and erase characteristics) ( Patent Document 3).
半導体膜としてn型シリコンを用いたメモリトランジスタにおいて、浮遊ゲートを金属材料のように半導体膜より仕事関数が高い材料で設けた場合には、浮遊ゲート側のトンネル絶縁膜の障壁高さが半導体膜側と比較して高くなるため、F−Nトンネル電流を用いた消去方法においては消去電圧が高くなる。 In a memory transistor using n-type silicon as a semiconductor film, when the floating gate is provided with a material having a work function higher than that of the semiconductor film, such as a metal material, the barrier height of the tunnel insulating film on the floating gate side is the semiconductor film. Therefore, in the erasing method using the FN tunnel current, the erasing voltage becomes high.
そこで浮遊ゲートを仕事関数の小さいチタンで作製することにより、消去電圧を低くすることが出来るが、チタンの還元性が高いため、トンネル絶縁層をチタンが侵食し、トンネル絶縁膜の膜厚は成膜した膜厚より薄くなってしまうため、正確な膜厚のコントロールが困難である。そのため、小さい電圧でも書き込み・消去が起こってしまい、誤書き換え耐性などの信頼性が確保できなくなってしまうという問題がある。 Therefore, the erase voltage can be lowered by fabricating the floating gate with titanium having a small work function. However, because of the high reducibility of titanium, the tunnel insulating layer is eroded by titanium, and the thickness of the tunnel insulating film is reduced. Since it becomes thinner than the film thickness, it is difficult to accurately control the film thickness. Therefore, there is a problem that writing / erasing occurs even with a small voltage, and reliability such as resistance to erroneous rewriting cannot be secured.
チタンの還元性を抑えるために浮遊ゲートに窒化チタンを用いることが出来るが、化学量論的組成の窒化チタンを用いた場合には、消去電圧が上がってしまい、消費電力が増加するという問題がある。 Titanium nitride can be used for the floating gate in order to suppress the reduction of titanium. However, when titanium nitride having a stoichiometric composition is used, the erase voltage rises and the power consumption increases. is there.
この発明では、低消費電力で、誤書き換え耐性の高い不揮発性半導体メモリ素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a non-volatile semiconductor memory element with low power consumption and high resistance to erroneous rewriting.
本発明は、浮遊ゲートに窒化チタンを用いる場合でも、そのチタンと窒素の組成比を化学量論的組成比からずらすことにより、かかる課題を解決することを要旨とする。 The gist of the present invention is to solve such a problem even when titanium nitride is used for the floating gate, by shifting the composition ratio of titanium and nitrogen from the stoichiometric composition ratio.
本発明の半導体記憶装置の一は、チャネル形成領域を有する半導体膜と、半導体膜のチャネル形成領域上に絶縁膜を介して設けられた浮遊ゲートとを有し、浮遊ゲートの材料は、単位体積あたりチタンの原子数が窒素の原子数よりも多く含まれている窒化チタンであることを特徴としている。 One embodiment of a semiconductor memory device of the present invention includes a semiconductor film having a channel formation region, and a floating gate provided over the channel formation region of the semiconductor film with an insulating film interposed therebetween. It is characterized by being titanium nitride containing more titanium atoms than nitrogen atoms.
本発明の半導体記憶装置の一は、チャネル形成領域を有する半導体膜と、半導体膜のチャネル形成領域上に絶縁膜を介して設けられた浮遊ゲートとを有し、浮遊ゲートの材料は、チタン組成比が原子百分率にて56atomic%以上75atomic%以下である窒化チタンであることを特徴としている。 One of the semiconductor memory devices of the present invention includes a semiconductor film having a channel formation region, and a floating gate provided over the channel formation region of the semiconductor film via an insulating film. The material of the floating gate is a titanium composition. The titanium nitride is characterized in that the ratio is 56 atomic% or more and 75 atomic% or less in atomic percentage.
浮遊ゲートを、窒化チタンとし、単位体積あたりチタンの原子数が窒素の原子数よりも多く含むように、好ましくは、窒化チタンのチタン組成比を56atomic%以上75atomic%以下にすることで、低消費電力化を達成し、且つ誤書き換え耐性の高い不揮発性半導体メモリ素子を提供することが出来る。 The floating gate is made of titanium nitride, so that the number of titanium atoms per unit volume is larger than the number of nitrogen atoms. Preferably, the titanium composition ratio of titanium nitride is set to 56 atomic% or more and 75 atomic% or less to reduce consumption. It is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory element that achieves power consumption and has high resistance to erroneous rewriting.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本明細書中の図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily understand that the present invention can be implemented in many different modes, and that the modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Is done. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of this embodiment mode. Note that in the drawings in this specification, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted.
本実施の形態では、トランジスタ型の半導体記憶素子(「メモリトランジスタ」とも記す)を具備する半導体記憶装置およびその作製方法に関して図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、「書き込み電圧」と「消去電圧」とは、特に断らない限り電圧の絶対値のことをさすものとする。 In this embodiment, a semiconductor memory device including a transistor-type semiconductor memory element (also referred to as a “memory transistor”) and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings. In the following description, “write voltage” and “erase voltage” refer to absolute values of voltage unless otherwise specified.
なお本明細書において、原子百分率とは、単位体積中に含まれるすべての原子の数を100としたときの注目している原子の数の割合を示し、atomic%あるいはat.%であらわすこととする。 In this specification, the atomic percentage indicates the ratio of the number of atoms of interest when the number of all atoms contained in a unit volume is 100, and is expressed as atomic% or at. It shall be expressed in%.
浮遊ゲートを仕事関数の小さいチタンで作製すると、消去電圧を低くすることが出来るが、チタンの還元性が高いため、トンネル絶縁層をチタンが侵食してしまい、誤書き換え耐性などの信頼性が確保できなくなってしまう。そこで、浮遊ゲートに窒化チタンを用いるが、化学量論的組成の窒化チタンを用いた場合には、消去電圧が上がってしまい、消費電力が増加してしまう。そこで、本発明の要旨は、信頼性を確保しつつ、消費電圧を下げるため、チタンと窒素の組成比を化学量論的組成比からずらし、単位体積あたりチタンの原子数が窒素の原子数よりも多く含まれている窒化チタンを浮遊ゲートに用いることである。 If the floating gate is made of titanium with a low work function, the erasing voltage can be lowered. However, because titanium is highly reducible, the tunnel insulating layer is eroded by titanium, ensuring reliability such as resistance to erroneous rewriting. It becomes impossible. Therefore, titanium nitride is used for the floating gate. However, when titanium nitride having a stoichiometric composition is used, the erasing voltage rises and the power consumption increases. Therefore, the gist of the present invention is to shift the composition ratio of titanium and nitrogen from the stoichiometric composition ratio in order to reduce the voltage consumption while ensuring reliability, and the number of titanium atoms per unit volume is greater than the number of nitrogen atoms. Titanium nitride, which is also contained in a large amount, is used for the floating gate.
(実施の形態1)
本実施の形態では半導体記憶装置の構造に関して説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structure of a semiconductor memory device will be described.
本実施の形態で示す半導体記憶装置は、チャネル形成領域102aを具備する半導体膜102と、半導体膜102のチャネル形成領域102a上に形成された第1の絶縁膜103または第1の絶縁膜203、浮遊ゲート104、第2の絶縁膜105または第2の絶縁膜205、および制御ゲート106から構成されるメモリトランジスタを有している(図1参照)。
The semiconductor memory device described in this embodiment includes a
浮遊ゲート104は窒化チタンで形成する。ここで用いる窒化チタンは、単位体積あたりチタンの原子数が窒素の原子数よりも多く含まれていることが肝要である。好ましくは、窒化チタンにおけるチタン組成比は、56atomic%以上75atomic%以下とする。
The floating
後述する実施例1および比較例にて作製されたメモリトランジスタにおける書き込み電圧および消去電圧の浮遊ゲート材料比較を図5に示す。ここでは、書き込み電圧とは、メモリトランジスタのしきい値電圧を4Vとするために制御ゲート106に印加する正極性の電圧とした。また、消去電圧とは、メモリトランジスタのしきい値電圧を0Vとするために制御ゲート106に印加する負極性の電圧とした。書き込み電圧を印加した時間および消去電圧を印加した時間は共に500μsecとした。図5より、チタン組成比が46atomic%以下では消去電圧が大きく、チタン組成比が56atomic%以上では消去電圧が小さいことがわかる。書き込み電圧については浮遊ゲート材料による明確な違いはなかった。つまり、チタン組成比が56atomic%以上となる窒化チタンを浮遊ゲート材料として用いることで、消去電圧が小さいメモリトランジスタを作製することができる。
FIG. 5 shows a comparison of floating gate materials of write voltage and erase voltage in memory transistors manufactured in Example 1 and Comparative Example described later. Here, the write voltage is a positive voltage applied to the
後述する実施例1および比較例にて作製されたメモリトランジスタにおける誤書き換え耐性の浮遊ゲート材料比較を図6に示す。ここでいう誤書き換え耐性とは誤書き込み耐性および誤消去耐性の総称であり、どちらもメモリトランジスタの信頼性のひとつで、同一ワード線上で他のメモリセルに書き込み・消去を行った場合に、当該メモリトランジスタのしきい値電圧変動の小ささの指標を示し、数値が高いほど耐性が強く良好なメモリトランジスタであることを示す。具体的には、誤書き込み耐性は前述した書き込み電圧に対する誤書き込み電圧の割合を示し、誤消去電圧は前述した消去電圧に対する誤消去電圧の割合を示す。ここで、誤書き込み電圧とは、最初に0Vであったメモリトランジスタのしきい値電圧が、0.5Vまで上昇したときに制御ゲートに印加されていた正極性の電圧のことである。電圧印加時間は80secとした。誤消去電圧とは、最初に4Vであったメモリトランジスタのしきい値電圧が、2.5Vまで下降したときに制御ゲートに印加されていた負極性の電圧のことである。電圧印加時間は80secとした。図6より、チタン組成比が88atomic%以上では、チタン組成比100atomic%に比べ向上はしているが、75atomic%以下に比べ誤書き換え耐性の悪化が始まっていることがわかる。一方でチタン組成比が75atomic%以下では問題なく誤書き換え耐性が確保できていることがわかる。つまり、窒化チタンを浮遊ゲート材料とし、より好ましくはチタン組成比が75atomic%以下とすることで、良好な誤書き換え耐性となるメモリトランジスタを作製することができる。
FIG. 6 shows a comparison of floating gate materials having resistance to erroneous rewriting in memory transistors manufactured in Example 1 and Comparative Example described later. The error rewrite resistance here is a general term for the error write resistance and the error erase resistance, both of which are one of the reliability of the memory transistor, and when the other memory cell is written / erased on the same word line, An index of the small threshold voltage fluctuation of the memory transistor is shown, and the higher the value, the stronger the resistance and the better the memory transistor. Specifically, the erroneous write resistance indicates the ratio of the erroneous write voltage to the above-described write voltage, and the erroneous erase voltage indicates the ratio of the erroneous erase voltage to the above-described erase voltage. Here, the erroneous write voltage is a positive voltage applied to the control gate when the threshold voltage of the memory transistor, which was initially 0 V, is increased to 0.5 V. The voltage application time was 80 sec. The erroneous erasure voltage is a negative voltage applied to the control gate when the threshold voltage of the memory transistor, which was initially 4 V, drops to 2.5 V. The voltage application time was 80 sec. From FIG. 6, it can be seen that when the titanium composition ratio is 88 atomic% or more, the improvement is made as compared with the
なお、図5、図6に示したチタン組成比は、ラマン拡散法(RBS)による分析結果に基づく値である。 In addition, the titanium composition ratio shown in FIGS. 5 and 6 is a value based on the analysis result by the Raman diffusion method (RBS).
そのため、本実施の形態では、浮遊ゲート104を、窒化チタンとし、単位体積あたりチタンの原子数が窒素の原子数よりも多く含むように、好ましくは、チタン組成比が56atomic%以上75atomic%以下の範囲となる窒化チタンで作製することにより、低消費電力で、誤書き換え耐性の高いメモリトランジスタを作製することができる。
Therefore, in the present embodiment, the floating
(実施の形態2)
本実施の形態では、半導体記憶装置のメモリトランジスタの作製方法に関して図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、n型のメモリトランジスタを形成する場合について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a method for manufacturing a memory transistor of a semiconductor memory device will be described with reference to drawings. In the following description, a case where an n-type memory transistor is formed will be described.
まず、基板100上に絶縁膜101を介して半導体膜102を形成する(図2(A)参照)。
First, the
基板100は、ガラス基板、金属基板やステンレス基板、半導体基板、本工程の処理温度に耐えうる耐熱性があるプラスチック基板等を用いるとよい。このような基板であれば、その面積や形状に大きな制限はないため、例えば、1辺が1メートル以上であって、矩形状のものを用いれば、生産性を格段に向上させることができる。
As the
絶縁膜101は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素(SiOxNy)(x>y)、窒化酸化珪素(SiNxOy)(x>y)等の絶縁材料を用いて単層又は積層で形成する。形成方法については特に限定されず、CVD法やスパッタ法等を用いて形成することができる。基板100上に絶縁膜を設けることで、基板100の凹凸の影響を軽減することや基板100から上部素子への不純物拡散を防止することができる。
The insulating
半導体膜102は、スパッタ法、LPCVD法、プラズマCVD法等により、25〜200nm(好ましくは30〜150nm)の厚さで形成する。半導体膜102としては、例えば、非晶質半導体膜(例えば、非晶質シリコン膜)又は多結晶半導体膜(例えば、多結晶シリコン膜)を形成すればよい。多結晶半導体膜は、非晶質半導体膜にレーザー光の照射やRTA又はファーネスアニール炉を用いる熱結晶化法等を行うことにより形成することができる。
The
また、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いてもよい。SOI基板を用いることによって、半導体膜102として単結晶半導体膜(例えば、単結晶シリコン膜)を用いることができる。例えば、スマートカット法、ELTRAN(Epitaxial Layer Transfer)法等の貼り合わせ法を用いて、単結晶半導体膜を基板100に貼り合わせて設けることができる。
Alternatively, an SOI (Silicon on Insulator) substrate may be used. By using an SOI substrate, a single crystal semiconductor film (eg, a single crystal silicon film) can be used as the
ここでは、半導体膜102として、非晶質シリコン膜を形成した後、当該非晶質シリコン膜にレーザー光を照射して多結晶シリコン膜を形成する。
Here, after forming an amorphous silicon film as the
次に、半導体膜に不純物元素を導入する(図2(B)参照)。なお、ここで不純物元素を導入しない形態であっても良い。 Next, an impurity element is introduced into the semiconductor film (see FIG. 2B). In addition, the form which does not introduce | transduce an impurity element here may be sufficient.
次に、半導体膜102上に第1の絶縁膜203を形成する(図2(C)参照)。第1の絶縁膜203は、メモリトランジスタにおいてトンネル絶縁膜として機能しうる。
Next, a first
第1の絶縁膜203は、珪素の酸化物または珪素の窒化物を含む膜(例えば、酸化珪素(SiOx)膜、酸化窒化珪素(SiOxNy)(x>y)膜、窒化珪素(SiNx)膜、窒化酸化珪素(SiNxOy)(x>y)膜等)を単層又は積層で形成する。第1の絶縁膜203は、CVD法又はスパッタ法等により形成することができる。また、半導体層に酸素雰囲気下でプラズマ処理を行うことにより当該半導体層の表面に酸化膜を形成してもよい。
The first
次に、第1の絶縁膜203上に導電膜204、第2の絶縁膜205および導電膜206を順に形成する(図2(D)参照)。
Next, a
導電膜204は、スパッタ法等により窒化チタン膜を形成する。ただし、形成時の窒素ガス流量を調節するなどして、単位体積あたりチタンの原子数が窒素の原子数よりも多く含むように、好ましくはチタン組成比が56atomic%以上75atomic%以下となるように窒化チタン膜を形成する。
As the
第2の絶縁膜205は、スパッタ法やプラズマCVD法等により、珪素の酸化物または珪素の窒化物を含む膜(例えば、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜等)を、単層又は積層で形成する。例えば、酸化窒化珪素膜と窒化珪素膜と酸化窒化珪素膜を順に積層させた構造で設けることができる。
The second
導電膜206は、タンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)等から選択された元素でなる膜、またはこれらの元素の窒化物でなる膜(代表的には、窒化タンタル、窒化タングステン膜、窒化チタン膜)を単層又は積層させて用いることができる。
The
次に、第1の絶縁膜203、導電膜204、第2の絶縁膜205および導電膜206を選択的にエッチングして第1の絶縁膜103、浮遊ゲート104、第2の絶縁膜105、制御ゲート106を形成する(図2(E)参照)。なお、第1の絶縁膜203のエッチングを行わず残存させてもよい(図1(B)参照)。
Next, the first insulating
次に、残存した浮遊ゲート104、第2の絶縁膜105および制御ゲート106の積層構造をマスクとして半導体膜102に不純物元素を導入して不純物領域102bを形成する(図3(A)参照)。
Next, an impurity element is introduced into the
導入する不純物元素は、n型の不純物元素又はp型の不純物元素を用いる。n型の不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型の不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本実施の形態では、n型のメモリトランジスタを作製するため、n型の不純物元素(例えば、リン(P))を半導体膜102に導入する。
As the impurity element to be introduced, an n-type impurity element or a p-type impurity element is used. As the n-type impurity element, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this embodiment, an n-type impurity element (eg, phosphorus (P)) is introduced into the
なお、不純物領域102bはメモリトランジスタのソース領域又はドレイン領域として機能し、不純物領域102bに含まれる不純物元素の濃度はチャネル形成領域102aに含まれる不純物元素の濃度より高くする。
Note that the
その後、層間絶縁膜107を形成した後、不純物領域102bに到達するように開口し、導電膜108を形成する(図3(B)参照)。導電膜108は、メモリトランジスタにおいて、ソース電極又はドレイン電極として機能する。
After that, after an
以上の工程により、半導体記憶装置を構成するメモリトランジスタが得られる。 Through the above steps, a memory transistor constituting the semiconductor memory device is obtained.
なお、本実施の形態で示す半導体記憶装置を構成するメモリトランジスタは上述した構成に限られず、チャネル形成領域102aと不純物領域102bとの間にLDD領域102cまたは122を設けた構成としてもよい(図1(C)、(D)参照)。
Note that the memory transistor included in the semiconductor memory device described in this embodiment is not limited to the above structure, and an
本実施の形態では、n型のメモリトランジスタの形成に関して説明したが、これに限られずp型のメモリトランジスタも同様に形成することができる。
(実施の形態3)
Although this embodiment mode describes the formation of an n-type memory transistor, the present invention is not limited to this, and a p-type memory transistor can be formed in the same manner.
(Embodiment 3)
本実施の形態では、上記実施の形態で示した不揮発性半導体記憶装置を具備する半導体装置の適用例に関して図面を参照して以下に説明する。 In this embodiment, application examples of a semiconductor device including the nonvolatile semiconductor memory device described in the above embodiment are described below with reference to drawings.
また、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、メモリを具備したあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、本発明の不揮発性半導体記憶装置を適用した電子機器として、ビデオカメラ、デジタルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、オーディオコンポ等)、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDVD(digital versatile disc)等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置)などが挙げられる。それら電子機器の具体例を図7に示す。 In addition, the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention can be used for electronic devices in various fields equipped with a memory. For example, as an electronic device to which the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is applied, a camera such as a video camera or a digital camera, a goggle type display (head mounted display), a navigation system, a sound reproduction device (car audio, audio component, etc.), Plays back recording media such as computers, game machines, portable information terminals (mobile computers, mobile phones, portable game machines or electronic books), and image playback devices (specifically DVDs (digital versatile discs)) equipped with recording media And an apparatus provided with a display capable of displaying the image). Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.
図7(A)、(B)は、デジタルカメラを示している。図7(B)は、図7(A)の裏側を示す図である。このデジタルカメラは、筐体2111、表示部2112、レンズ2113、操作キー2114、シャッターボタン2115などを有する。また、取り出し可能な不揮発性のメモリ2116を備えており、当該デジタルカメラで撮影したデータをメモリ2116に記憶させておく構成となっている。本発明を用いて形成された不揮発性の半導体記憶装置は当該メモリ2116に適用することができる。
7A and 7B show a digital camera. FIG. 7B is a diagram showing the back side of FIG. This digital camera includes a
また、図7(C)は、携帯電話を示しており、携帯端末の1つの代表例である。この携帯電話は筐体2121、表示部2122、操作キー2123などを含む。また、携帯電話は、取り出し可能な不揮発性のメモリ2125を備えており、当該携帯電話の電話番号等のデータ、映像、音楽データ等をメモリ2125に記憶させ再生することができる。本発明を用いて形成された不揮発性の半導体記憶装置は当該メモリ2125に適用することができる。
FIG. 7C illustrates a mobile phone, which is a typical example of a mobile terminal. This mobile phone includes a
また、図7(D)は、デジタルプレーヤーを示しており、オーディオ装置の1つの代表例である。図7(D)に示すデジタルプレーヤーは、本体2130、表示部2131、メモリ部2132、操作部2133、イヤホン2134等を含んでいる。なお、イヤホン2134の代わりにヘッドホンや無線式イヤホンを用いることができる。メモリ部2132は、本発明を用いて形成された不揮発性の半導体記憶装置を用いることができる。例えば、記録容量が20〜200ギガバイト(GB)のNAND型不揮発性メモリを用いることができる。また、操作部2133を操作することにより、映像や音声(音楽)を記録、再生することができる。なお、メモリ部2132に設けられた不揮発性の半導体記憶装置は、取り出し可能な構成としてもよい。
FIG. 7D illustrates a digital player, which is a typical example of an audio device. A digital player shown in FIG. 7D includes a
また、図7(E)は、電子ブック(電子ペーパーともいう)を示している。この電子ブックは、本体2141、表示部2142、操作キー2143、メモリ部2144を含んでいる。またモデムが本体2141に内蔵されていてもよいし、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。メモリ部2144は、本発明を用いて形成された不揮発性の半導体記憶装置を用いることができる。例えば、記録容量が20〜200ギガバイト(GB)のNAND型不揮発性メモリを用いることができる。また、操作キー2143を操作することにより、映像や音声(音楽)を記録、再生することができる。なお、メモリ部2144に設けられた不揮発性の半導体記憶装置は、取り出し可能な構成としてもよい。
FIG. 7E illustrates an electronic book (also referred to as electronic paper). This electronic book includes a
以上の様に、本発明の不揮発性半導体記憶装置の適用範囲は極めて広く、メモリを有するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。 As described above, the applicable range of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is so wide that it can be used for electronic devices in various fields as long as it has a memory.
本実施例では、図5および図6にて示した書き込み・消去電圧データおよび誤書き込み耐性・誤消去耐性データを実際に取得したメモリトランジスタの作製方法に関して図面(図4)を参照して説明する。 In this embodiment, a method for manufacturing a memory transistor that actually acquires the write / erase voltage data and the erroneous write tolerance / erase tolerance data shown in FIGS. 5 and 6 will be described with reference to the drawing (FIG. 4). .
まず、基板100としてガラス基板を用い、当該ガラス基板上に成膜する絶縁膜101として、厚さ50nmの窒化酸化シリコン(SiNxOy、x>y>0)および厚さ100nmの酸化窒化シリコン(SiOxNy、x>y>0)の絶縁膜をCVD法により成膜した。
First, a glass substrate is used as the
絶縁膜101の上に半導体膜102を多結晶シリコン膜で形成した。多結晶シリコン膜は次のように形成した。まず、CVD法により、水素モノシランを原料に厚さ66nmの非晶質シリコン膜を形成した。次いで、500℃1時間、および550℃4時間の加熱処理を行い、非晶質シリコン膜の水素を放出させた。そして、YVO4レーザー発振器の第2高調波(波長532nm)のビームを非晶質シリコン膜に照射して、非晶質シリコン膜を結晶化して、多結晶シリコン膜を形成した。YVO4レーザー発振器は、半導体レーザー(LD)励起の連続発振レーザー発振器である。そして、エッチング処理により、この多結晶シリコン膜を所望の形状に加工して、半導体膜102を形成した(図4(A)参照)。
A
次に、半導体膜102に高密度プラズマ酸化処理を行い、半導体膜102上に第1の絶縁膜203を10nm形成した。第1の絶縁膜203は、メモリトランジスタにおいてトンネル絶縁膜として機能しうる。
Next, high-density plasma oxidation treatment was performed on the
次に、スパッタ装置で30nmの膜厚の窒化チタン膜を第1の絶縁膜203上に形成した。形成する窒化チタン膜のチタン組成比は46atomic%以上88atomic%以下の範囲である。また、チタン組成比が100atomic%のチタン膜も作製した。
Next, a titanium nitride film having a thickness of 30 nm was formed on the first insulating
チタンターゲットを用い、チャンバー内圧を0.2Pa、直流電源を12kW、窒素ガス雰囲気(窒素流量50sccm)という条件で行った。得られた窒化チタン膜のチタン組成比は46atomic%であった。
A titanium target was used under the conditions of a chamber internal pressure of 0.2 Pa, a DC power source of 12 kW, and a nitrogen gas atmosphere (
次に、チタンターゲットを用い、チャンバー内圧を0.2Pa、直流電源を12kW、アルゴンガスと窒素ガスの混合雰囲気(アルゴン流量20sccm、窒素流量30sccm)という条件で行った。得られた窒化チタン膜のチタン組成比は56atomic%であった。
Next, a titanium target was used under the conditions of a chamber internal pressure of 0.2 Pa, a DC power source of 12 kW, and a mixed atmosphere of argon gas and nitrogen gas (
次に、チタンターゲットを用い、チャンバー内圧を0.2Pa、直流電源を12kW、アルゴンガスと窒素ガスの混合雰囲気(アルゴン流量25sccm、窒素流量25sccm)という条件で行った。得られた窒化チタン膜のチタン組成比は66atomic%であった。 Next, a titanium target was used under the conditions of a chamber internal pressure of 0.2 Pa, a DC power source of 12 kW, and a mixed atmosphere of argon gas and nitrogen gas (argon flow rate 25 sccm, nitrogen flow rate 25 sccm). The titanium composition ratio of the obtained titanium nitride film was 66 atomic%.
次に、チタンターゲットを用い、チャンバー内圧を0.2Pa、直流電源を12kW、アルゴンガスと窒素ガスの混合雰囲気(アルゴン流量30sccm、窒素流量20sccm)という条件で行った。得られた窒化チタン膜のチタン組成比は75atomic%であった。
Next, a titanium target was used under the conditions of a chamber internal pressure of 0.2 Pa, a DC power source of 12 kW, and a mixed atmosphere of argon gas and nitrogen gas (
次に、チタンターゲットを用い、チャンバー内圧を0.2Pa、直流電源を12kW、アルゴンガスと窒素ガスの混合雰囲気(アルゴン流量40sccm、窒素流量10sccm)という条件で行った。得られた窒化チタン膜のチタン組成比は88atomic%であった。
Next, a titanium target was used under the conditions of a chamber internal pressure of 0.2 Pa, a DC power source of 12 kW, and a mixed atmosphere of argon gas and nitrogen gas (
チタン組成比が100atomic%のチタン膜を形成するには、チタンターゲットを用い、チャンバー内圧を0.1Pa、直流電源を1kW、アルゴンガス雰囲気(アルゴン流量20sccm)という条件で行った。
In order to form a titanium film having a titanium composition ratio of 100 atomic%, a titanium target was used under the conditions of a chamber internal pressure of 0.1 Pa, a DC power source of 1 kW, and an argon gas atmosphere (
窒化チタン膜あるいはチタン膜を形成後、エッチング処理により、この窒化チタン膜あるいはチタン膜を所定の形状に加工し、浮遊ゲート104となる導電膜を形成した(図4(B))。
After the titanium nitride film or the titanium film was formed, the titanium nitride film or the titanium film was processed into a predetermined shape by an etching process, and a conductive film to be the floating
次に、プラズマドーピング装置により、半導体膜102にリン(P)を添加して、不純物領域122を形成した(図4(C))。ソースガスには水素で希釈したPH3を用いた。
Next, phosphorus (P) was added to the
次に、浮遊ゲート104を覆って、第2の絶縁膜205を形成した。ここでは、プラズマCVD装置で、厚さ50nmの酸化窒化シリコン膜を形成した。
Next, a second
次に、第2の絶縁膜205上に、スパッタ装置で、厚さ30nmの窒化タンタルおよび厚さ170nmのタングステン膜の積層膜を形成した。この積層膜をエッチングして、制御ゲート106を形成した(図4(D))。
Next, a stacked film of a tantalum nitride film with a thickness of 30 nm and a tungsten film with a thickness of 170 nm was formed over the second
次いで、制御ゲート106をマスクに、プラズマドーピング装置により半導体膜102にリンを添加した(図4(E))。ソースガスには水素で希釈したPH3を用いた。この工程で、半導体膜102に不純物領域102bを形成した。
Next, phosphorus was added to the
次に、制御ゲート106を覆って、厚さ50nmの酸化シリコン膜を形成した後(図示せず)、窒素雰囲気で480℃の加熱処理を行い、不純物領域102b、122に添加したリンを活性化した。次いで、層間絶縁膜107として厚さ100nmの酸化窒化シリコン膜と、厚さ600nmの酸化シリコン膜の積層膜を形成した。次いで、絶縁膜203、205、107の積層膜を開口し、スパッタ装置で、厚さ60nmのチタン膜、厚さ40nmの窒化チタン膜、厚さ500nmの純アルミニウム膜、および厚さ100nmのチタン膜でなる積層構造の導電膜を形成した。エッチング処理により、この積層膜を所望の形状に加工し、導電膜108を形成した。以上の工程により、本願のメモリセルを作製した(図4(F)参照)。
Next, after a silicon oxide film having a thickness of 50 nm is formed to cover the control gate 106 (not shown), heat treatment is performed at 480 ° C. in a nitrogen atmosphere to activate phosphorus added to the
本実施例にて作製したメモリトランジスタの書き込み電圧および消去電圧を測定した結果が図5、誤書き込み耐性および誤消去耐性を測定した結果が図6である。なお、本実施例で示したチタン組成比は、ラマン拡散法(RBS)による分析結果に基づく値である。 FIG. 5 shows the result of measuring the writing voltage and the erasing voltage of the memory transistor manufactured in this example, and FIG. 6 shows the result of measuring the erroneous writing resistance and erroneous erasing resistance. In addition, the titanium composition ratio shown in the present Example is a value based on the analysis result by the Raman diffusion method (RBS).
図5より、チタン組成比が46atomic%以下では消去電圧が大きく、チタン組成比が56atomic%以上では消去電圧が小さいことがわかる。つまり、チタン組成比が56atomic%以上となる窒化チタンを浮遊ゲート材料として用いることで、消去電圧が小さいメモリトランジスタを作製することができる。 FIG. 5 shows that the erase voltage is large when the titanium composition ratio is 46 atomic% or less, and the erase voltage is small when the titanium composition ratio is 56 atomic% or more. That is, by using titanium nitride having a titanium composition ratio of 56 atomic% or more as a floating gate material, a memory transistor with a low erase voltage can be manufactured.
図6より、チタン組成比が88atomic%以上では、チタン組成比100atomic%に比べ向上はしているが、75atomic%以下に比べ誤書き換え耐性の悪化が始まっていることがわかる。一方でチタン組成比が75atomic%以下では問題なく誤書き換え耐性が確保できていることがわかる。つまり、窒化チタンを浮遊ゲート材料とし、より好ましくはチタン組成比が75atomic%以下とすることで、良好な誤書き換え耐性となるメモリトランジスタを作製することができる。
From FIG. 6, it can be seen that when the titanium composition ratio is 88 atomic% or more, the improvement is made as compared with the
100 基板
101 絶縁膜
102 半導体膜
102a チャネル形成領域
102b 不純物領域
102c LDD領域
103 絶縁膜
104 浮遊ゲート
105 絶縁膜
106 制御ゲート
107 層間絶縁膜
108 導電膜
122 不純物領域
203 絶縁膜
204 導電膜
205 絶縁膜
206 導電膜
2111 筐体
2112 表示部
2113 レンズ
2114 操作キー
2115 シャッターボタン
2116 メモリ
2121 筐体
2122 表示部
2123 操作キー
2125 メモリ
2130 本体
2131 表示部
2132 メモリ部
2133 操作部
2134 イヤホン
2141 本体
2142 表示部
2143 操作キー
2144 メモリ部
100
Claims (3)
絶縁膜を介して前記チャネル形成領域上に位置する浮遊ゲートと、を有し、
前記浮遊ゲートは、チタン組成比が原子百分率にて56atomic%以上である窒化チタンを有し、
前記窒化チタンのチタンと窒素の組成比は化学量論的組成比からずれていることを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor film having a channel formation region;
A floating gate located on the channel formation region via an insulating film,
The floating gate have a titanium nitride is titanium composition ratio than 56Atomic% by atomic percent,
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the titanium / nitrogen composition ratio of the titanium nitride deviates from the stoichiometric composition ratio .
絶縁膜を介して前記チャネル形成領域上に位置する浮遊ゲートと、を有し、
前記浮遊ゲートは、チタン組成比が原子百分率にて56atomic%以上75atomic%以下である窒化チタンを有し、
前記窒化チタンのチタンと窒素の組成比は化学量論的組成比からずれていることを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor film having a channel formation region;
A floating gate located on the channel formation region via an insulating film,
The floating gate have a titanium titanium nitride composition ratio is less than 56atomic% 75atomic% by atomic percent,
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the titanium / nitrogen composition ratio of the titanium nitride deviates from the stoichiometric composition ratio .
前記半導体膜上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜を介して前記半導体膜上に位置する浮遊ゲートと、
前記浮遊ゲート上の第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜を介して前記浮遊ゲート上に位置する制御ゲートと、を有し、
前記浮遊ゲートは、チタン組成比が原子百分率にて56atomic%以上75atomic%以下である窒化チタンを有し、
前記窒化チタンのチタンと窒素の組成比は化学量論的組成比からずれており、
前記第1の絶縁膜の膜厚は、前記第2の絶縁膜の膜厚よりも小さいことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor film having a channel formation region;
A first insulating film on the semiconductor film;
A floating gate located on the semiconductor film through the first insulating film;
A second insulating film on the floating gate;
A control gate positioned on the floating gate via the second insulating film,
The floating gate includes titanium nitride having a titanium composition ratio of 56 atomic% or more and 75 atomic% or less in atomic percent.
The composition ratio of titanium and nitrogen in the titanium nitride deviates from the stoichiometric composition ratio,
A semiconductor memory device, wherein the thickness of the first insulating film is smaller than the thickness of the second insulating film.
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